工程師：開(kāi)關(guān)電源PCB電磁兼容(EMC)性建模分析

建立印刷電路板走線(xiàn)高頻模型和提取走線(xiàn)間寄生參數(shù)的主要困難是決定印刷板線(xiàn)條單位長(zhǎng)度的電容量和單位長(zhǎng)度的電感量。通常有三種方法可以用來(lái)決定電感、電容矩陣元件：

(1)有限差分法(FDM)；(2)有限元法(FEM)；(3)動(dòng)量法(MOM)。

當(dāng)單位長(zhǎng)度矩陣被精確的決定以后，通過(guò)多導(dǎo)體傳輸線(xiàn)或部分元等效電路(PEE C)理論，就可以得到印刷電路板走線(xiàn)的高頻仿真模型。Cadence 軟件是一種強(qiáng)大的EDA 軟件，它的SpecctraQuest 工具可以對(duì)PCB 進(jìn)行信號(hào)完整性和電磁兼容性分析，用它也可以對(duì)印刷電路板走線(xiàn)進(jìn)行高頻建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)給定結(jié)構(gòu)的PCB 進(jìn)行參數(shù)提取，并且生成任意形狀印制導(dǎo)線(xiàn)走線(xiàn)的電感、電容、電阻等寄生參數(shù)矩陣，然后利用PEEC 理論，就可以進(jìn)行EMC 仿真分析。

共模和差模噪聲的電路模型

通常電路中的共模干擾和差模干擾是同時(shí)存在的，共模干擾存在于電源的任意一個(gè)相線(xiàn)與大地之間，差模干擾存在于相線(xiàn)與相線(xiàn)之間。法國(guó) Grenoble 電技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的Teuling、Schnaen 和Roudet 基于由MOSFET 構(gòu)成的400W、開(kāi)關(guān)頻率為100KHz 的斬波電路實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷难芯勘砻?，低頻時(shí)差模干擾占主導(dǎo)地位;高頻時(shí)，共模干擾占主導(dǎo)地位，這說(shuō)明開(kāi)關(guān)電源的差模干擾和共模干擾對(duì)電路的影響程度是不同的;另一方面，線(xiàn)路寄生參數(shù)對(duì)差模干擾和共模干擾的影響也不同，由于線(xiàn)間阻抗與線(xiàn)———地阻抗不同，干擾經(jīng)長(zhǎng)距離傳輸后，差模分量的衰減要比共模大。因此，為了解決開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)噪聲問(wèn)題，需要首先區(qū)分共模和差模干擾，這就需要建立共模和差模噪聲路徑，然后對(duì)它們分別進(jìn)行仿真和分析，這種方法便于我們找到電磁干擾問(wèn)題的根源，便于問(wèn)題的解決。

在工程上可以用電流探頭來(lái)判斷電源是共模還是差模占主導(dǎo)地位，探頭先單獨(dú)環(huán)繞每根導(dǎo)線(xiàn)，得出單根導(dǎo)線(xiàn)的感應(yīng)值;然后再環(huán)繞兩根導(dǎo)線(xiàn)，探測(cè)其感應(yīng)情況，如果感應(yīng)值是增加的，則線(xiàn)路中的干擾電流是共模的，反之是差模的。在理論分析中，針對(duì)不同的系統(tǒng)，需要分別建立它們的共模和差模噪聲電流模型，在我們上述分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮功率器件的高頻模型和印制導(dǎo)線(xiàn)相互耦合關(guān)系，我們得到了半橋QRC 變換器的共模和差模干擾電路模型，它示于圖3。圖中的LISN(Line ImpedenceStabilizing network) 是EMC 檢測(cè)規(guī)定的線(xiàn)性阻抗固定網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)閷?duì)于50Hz 工頻信號(hào)LISN 的電感表現(xiàn)為低阻抗，電容表現(xiàn)為高阻抗，所以對(duì)工頻信號(hào)LISN 基本不衰減，電源可以經(jīng)LISN 輸送到半橋變換器中。而對(duì)于高頻噪聲，LISN 的電感表現(xiàn)為大阻電容可以視為短路，所以L(fǎng)ISN 阻止了高頻噪聲在待測(cè)設(shè)備和電網(wǎng)之間的傳送，因此，LISN 起到了為共模和差模干擾電流在所需測(cè)量的頻段(典型值為100KHz ~30MHz)提供一個(gè)固定的阻抗(50ohm)的作用。

圖3 半橋QR C 變換器的噪聲模型

在上圖中，共模噪聲電流分別從兩套LISN 出發(fā)，經(jīng)過(guò)電路開(kāi)關(guān)器件、變壓器、PCB 印制導(dǎo)線(xiàn)、副邊電路，又回到LISN 形成共模噪聲電流回路。差模噪聲電流則在兩套LISN、印制導(dǎo)線(xiàn)、開(kāi)關(guān)器件、變壓器之間形成回路。共模噪聲和差模噪聲可以分別取自?xún)商譒ISN的電阻上電壓的之差的一半或之和的一半。

即：

所以：

用同樣的方法，可以很方便的得到其它拓?fù)涞膫鲗?dǎo)干擾電路模型。